KR20090056457A - Ｍｅｍｓ 기반의 전자기 유도방식 발전소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자성체 주위에 미세 선폭의 도선을 입체적으로 감고 외부의 운동에너지를 이용하여 자성체의 극성을 바꿔줌으로써 에너지를 발생시키는 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자 및 그 제조방법에 관한 것으로,
본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자 및 그 제조방법에 의하면, 특정 주파수에 관계없이 전류가 발생할 수 있으며, 소자의 크기(부피)가 작으면서도 에너지 변환효율이 크다는 장점이 있다. 따라서, 만보기, 휴대폰, 엠피쓰리, 헬스 케어 시스템, 노트북, 디지털 카메라 등의 휴대용 전자 장비와 사람 혹은 자동차 등의 운동에너지를 이용할 수 있는 지하철 환승역이나, 공원, 지하주차장이나 아파트 단지 내외에 설치될 수 있는 요철과 자동차의 회전축 등에 응용될 수 있으며, 특히 컴퓨터 자판 혹은 전화기 버튼 등 눌림에 의한 운동에너지가 발생할 수 있는 모든 장치에 다양하고도 쉽게 응용될 수 있는 장점이 있다.
MEMS, 전자기 유도방식 발전소자
Description
본 발명은 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기반의 전자기 유도방식 발전소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자성체 주위에 미세 선폭의 도선을 입체적으로 감고 외부의 운동에너지를 이용하여 자성체의 극성을 바꿔줌으로써 에너지를 발생시키는 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
미래 에너지 자원의 안정적 확보와 지구환경 문제, 전력수요 증대의 대응이 절실히 요구되는 최근의 세계 전력시장은 미국과 일본, 유럽 등 선진국을 중심으로 태양광, 풍력, 파도, 운동에너지 등의 에너지 하베스팅(energy harvesting) 기술개발이 급속히 추진되고 있다. 에너지 하베스팅은 주위에 산재해 있는 에너지를 획득하는 방식으로 자연적으로 사라지는 에너지를 취하다고 하여 에너지 스카벤징(energy scavenging)이라고도 하며 또는 파워 하베스팅(power harvesting)이라고 도 불린다.
도 1은 에너지원에 따른 다양한 에너지 하비스터들의 예이다. 근래에 태양광을 이용한 태양광 발전과 바람을 이용한 풍력발전, 압전 에너지를 이용한 동조 압전체 발전 등이 대표적인 에너지 하베스팅의 예이다.
최근 반도체 및 MEMS와 같은 저전력 전자기술(low power electronics)의 발전과 더불어 핸드폰, MP3, 노트북, 디지털 카메라 등의 휴대용 전자기기에 대한 수요가 증가하고 있다. 특히, 종이처럼 접어서 휴대할 수 있는 모니터, 입는 컴퓨터, 휴대하고 다니며 자신의 건강상태를 언제 어디서든 체크 할 수 있는 헬스 케어 시스템(health care system) 및 유비쿼터스(ubiquitous) 환경을 위한 RFID 칩 등의 등장은 인간의 생활 패턴을 바꾸어 놓을 것으로 예상되고 있다.
그러나, 이러한 유비쿼터스 환경 혹은 편재형 컴퓨팅(pervasive computing)기술에서도 지속적인 전력공급이 휴대용기기의 가장 큰 걸림돌이 되고 있는 상황이다. 이러한 휴대용 전자기기들의 전력은 대부분 2차 전지로부터 공급되고 있다. 비록 휴대용전자기기를 위한 저전력 전자기술이 꾸준히 개발되고 있기는 하지만, 다양한 기능들의 추가 통합으로 인하여 전력 소모는 오히려 지속적으로 늘어나고 있는 추세이다.
현재 2차 전지에 적용되는 재료, 기술 등의 발전으로 전지 용량이 조금씩 증가 되고는 있지만 정기적인 교체 혹은 충전이 필요하다는 근본적인 문제를 해결할 수는 없어 관리에 어려움을 겪고 있다. 또한, 무게와 부피 때문에 휴대가 불편하고 납, 카드늄, 수은 등의 유해물질이 포함되어 있어 환경오염의 원인으로 부각되고 있다.
따라서, 기존의 전지를 보완하거나 대체할 수 있으며 환경오염이 없는 새로운 개념의 전원공급 장치로써의 에너지 하베스팅 기술 개발이 필요하다.
현재 개발되고 있는 초소형 전원공급 장치로서의 발전기는 크게 운동에너지를 이용하여 자체적으로 발전을 하는 시스템과 회전자(rotor)를 회전시켜 전류를 발생시키는 발전시스템으로 구분할 수 있다.
① 운동에너지를 이용한 발전시스템
운동에너지를 이용하여 발전하는 발전시스템은 크게 압전(piezoelectric) 방식과 전자기(electromagnetic) 방식, 그리고 정전기(electrostatic) 방식의 3가지로 구분할 수 있다.
우선, 압전체를 이용한 발전기 연구는 미국의 캘리포니아 대학을 비롯해 몇몇 미국과 유럽 대학을 중심으로 이루어지고 있다. 일반적으로 압전체를 이용한 발전기는 바(bar)의 한쪽 끝을 고정시킨 외팔보(cantilever) 형태로 제작되는데, 외팔보 형태의 압전 발전기는 외팔보를 지지하는 지지바 상부에만 압전체를 배치한 유니몰프(unimorph) 형태와 상하부 모두 압전체를 배치한 바이몰프(bimorph) 형태로 구분할 수 있으며, 그 끝에는 집중 질량(mass)이 매달려 있다.
외팔보가 아래로 굽혀지면 윗면에는 인장, 아랫면에는 압축에 의해 변형이 생기고 양면에는 전압이 발생하게 된다. 따라서 외팔보가 상하로 진동을 하게 되면 교류전압이 발생한다. 도 2에는 미국 캘리포니아대에서 개발한 바이몰프 압전 발전기가 도시되어 있다. 이와 같이 제작된 바이몰프 압전 발전기는 시험 장치를 사용하여 최대 120 ㎼의 전력발생이 가능하였으며 집중 질량과 외팔보의 크기를 크게 조절하여 375 ㎼까지 전력이 발생된다고 보고되고 있다.
외팔보 압전 발전기 외에도 원형 막피(membrane) 형태의 압전 발전기 연구도 실시되고 있다. 그러나 압전 발전기의 대부분은 압전 세라믹(PZT)를 사용하기 때문에 응력파괴가 쉽게 발생 될 수 있으며, 외팔보 압전 발전기의 경우, 구조물의 공진 주파수를 맞추어 설계해야하는 단점과 극히 제한된 주파수 범위에서만 전력을 발생시킬 수 있는 단점이 있다. 또한, 크기에 비해 기계적-전기적 에너지 변환효율이 낮아 전자기기가 요구하는 전력과 비교해 보았을 때 아직까지는 활용범위가 높지 못하다는 단점이 있다.
페러데이(Faraday)법칙을 이용한 전자기식 에너지 발전기는 미국 MIT 공대와 영국의 Southampton 대학, 홍콩의 Chinese대학 등을 중심으로 활발한 연구가 진행되고 있다.
도체(전기회로)를 통과하는 자기장이 변화하면, 도체 주위에 전기장이 형성되어 전류가 흐르게 된다. 자기장의 변화는 기동 자석과 고정 코일 또는 고정 자석과 기동 코일로 구현할 수 있으나, 대부분 가동 자석과 고정 코일 방식을 사용한다. 일반적으로 다른 조건이 동일하다면, 코일의 크기가 클수록 성능이 좋아진다.
도 3의 (a)는 미국 MIT 공대에서 개발한 전자기 방식의 에너지 발전기이다. 스프링에 연결된 코일이 집중 질량에 매달려 수직 운동을 하게 되면, 이때 코일은 원형 자석 안과 밖을 운동하며 전류를 발생시키는 원리이다. 또 다른 전자기 방식 발전기는 도 3의 (b)와 같이 PCB(printed circuit board)에 원형으로 패턴(코일)을 감고 비아 홀(via hole)을 뚫어 아래층의 PCB와 연결하는 방식으로 여러 층의 PCB로 코일을 감는 효과를 얻는 방법이다. 그 가운데 스프링을 두고 그 위에 자석을 올려 진동이 가해질 때마다 자석이 흔들리며 전류를 발생시키는 원리이다. 전자기 방식의 발전기는 압전체 방식의 발전기와 달리 공진 주파수를 맞출 필요가 없으며, 330～500 kHz에서 압전체 발전기와 비슷한 전력(100～400 ㎼)이 발생되는 것으로 발표되고 있다. 그러나 현재까지 개발된 전자기 방식의 발전기는 크기가 크고 낮은 주파수영역에서 발전량의 한계가 있다는 단점이 있다.
MIT의 Meninger 등이 개발한 정전발전기(electrostatic generator)는 커패시터의 정전용량을 변화시키기 위해 커패시터의 거리를 변경시키는 MEMS 형태의 가변 커패시터 구조를 갖는다. 정전에너지 변환을 위해 이들은 일정한 전하량에서 동작하는 병렬 커패시터 구조와 일정한 전압에서 동작하는 빗(comb) 형태의 커패시터 구조 두 가지를 제안하였다. 이 두 종류의 구조 중 일정전압에서 동작하는 커패시터 구조가 일정전하량에서 동작하는 커패시터 대비 높은 에너지 효율을 보였다. 그러나 일정전압에서 동작하는 커패시터 구조는 초기에 큰 접압원을 필요로 한다는 단점을 갖고 있다. 이 문제의 해결을 위해 일정 전하량에서 동작하는 커패시터 구 조를 이용하면서 상대적으로 큰 에너지를 얻기 위해서는 MEMS 커패시터에 병렬로 추가적인 커패시터를 연결하는 방법을 제시하고 있으나, 이 또한 초기전압원의 크기를 키워야 하고 또한 커패시터에 축적된 에너지를 효율적으로 전달하기 위한 스위칭 시스템이 발전기의 운동에너지원인 진동특성과 동기화해야 하는 등의 문제점을 갖고 있다.
② 회전자(
rotor
) 이용한 발전시스템
회전자를 이용한 발전기는 MEMS 방법을 이용하여 기판에 도선(pattern)을 형성시키고 그 위에 자성체를 회전시켜 발전하는 원리로 미국의 MIT 공대와 조지아 공대, 대만의 Sun Yat-Sen 대학 등 몇몇 대학을 중심으로 활발히 연구가 진행되고 있다. 도 4는 대만의 Sun Yat-Sen 대학에서 개발한 회전자 발전기로 도 4의 (a)와 같이 기판 위에 사다리꼴 모양으로 도선을 형성시킨 후, 도 4의 (b)와 같이 8개의 서로 다른 극성을 갖는 자석을 원판에 고정시켜 회전시키는 방법으로 발전하였다. 그 원리는 도 4의 (a)의 A부분에 S극을 갖는 자석이 회전을 하면 전류는 같이 한쪽 방향으로 흐르게 된다. 그렇게 되면 B부분에는 N극이 오게 되고 S극 때의 전류방향과 반대방향으로 전류가 흐르게 된다. 도 4의 (a)에 ①부분은 △Φ = BAcosθ의 식에서 cosθ가 0이 되므로 전류가 흐르지 않아 도선에는 일정한 방향으로 전류가 흐르게 된다. 이와 같은 방법으로 149.3 Hz에서 0.412 ㎽의 전력을 발생시켰다.
또 다른 회전자를 이용한 발전기는 MIT 공대와 조지아 공대에서 공동 개발한 발전기로 도 5에 도시된 바와 같다. 발전원리는 앞서 기술한 대만의 회전자 발전기와 같으며, 도 5의 (b)와 같이 기판 위에 형성시킨 도선 위로 서로 다른 극성의 자석을 회전시켜 같은 방향으로 전류가 흐르게 하는 방법으로 회전자를 120,000rpm 으로 회전시켜 2.5W의 전력을 발생시켰다.
그러나, 회전자를 갖는 발전기는 회전자를 돌려야 하는 단점이 있으며 회전자를 돌리기 위해서는 또 다른 에너지가 필요하기 때문에 실용성에 제한이 있으며, 크기의 제약으로 도선의 감은 수를 늘릴 수 없다는 단점이 있다. 따라서, 발전기 자체의 크기는 작지만 휴대용 기기 등 편재형 컴퓨팅 환경에 사용하기에는 확장성에 한계가 있으며, 또한 회전체를 매우 빠르게 회전시키지 않는 한 사용가능한 수준의 전력을 발생시킬 수 없다는 문제점이 있다.
상기 기술한 선행 연구에서 나타난 바와 같은, 일정 주파수에서만 전류가 발생하거나, 부피가 크고, 에너지 변환효율의 한계 등의 단점을 갖고 있다는 문제점과 또한 자성을 갖는 회전체를 회전시켜 전류를 발생시키는 시스템의 경우, 상기 기술한 바와 같이 회전자를 돌리기 위한 추가시스템이 필요하고 구조적으로 일정량 이상의 전력을 확보하기에는 한계가 있다는 문제점을 해결하기 위해, 자성체 주위에 미세 선폭의 도선을 입체적으로 감고 외부의 운동에너지를 이용하여 자성체의 극성을 바꿔줌으로써 에너지를 발생시키는 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자 및 그 제조방법을 제공하고자 함이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자는,
MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자에 있어서, 자속의 통로가 되는 제1 자성체, 상기 제1 자성체의 외부를 둘러싸며 1회 이상 감긴 미세선폭을 갖는 코일부, 상기 제1 자성체와 상기 코일부 사이의 절연을 위해 그 사이에 마련되는 절연부, 및 상기 코일부의 외부에 마련되어 상기 제1 자성체의 극성 변화를 유도하는 제2 자성체를 포함한다.
또한, 상기 코일부의 일측에 상기 제2 자성체가 이동 가능하도록 형성된 튜브를 더 포함하고, 상기 튜브는 상기 제1 자성체의 길이방향과 수직으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 자성체를 그 내부에 포함하는 상기 코일부가 다수개 마련되어 병렬로 배치되어 직렬 연결되고, 상기 튜브는 상기 병렬로 배치된 코일부의 일측에 마련되어 상기 제2 자성체가 왕복운동 하도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 자성체를 그 내부에 포함하는 상기 코일부가 다수개 마련되어 방사형으로 배치되고, 상기 방사형으로 배치된 코일부의 중앙에 형성되는 공간에 N극과 S극이 교번 형성된 원형의 상기 제2자성체가 회전 가능하도록 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 다른 실시예에 따르면,
하우징; 자속의 통로가 되는 다수개의 제1 자성체와, 상기 다수개의 제1 자성체 각각의 외부를 둘러싸며 1회 이상 감긴 미세선폭을 갖는 다수개의 코일부가 상기 하우징 내에 다각기둥 형태로 배열된 셀 모듈부; 상기 하우징의 저면에 고정되는 탄성체와, 상기 탄성체 위에 마련되는 제2 자성체와, 상기 제2 자성체의 상부에 마련되어 상기 하우징의 외부로 돌출 형성되는 가압부를 포함하는 자속유도 모듈부;를 포함하며, 상기 자속유도 모듈부는 상기 셀 모듈부에 의해 형성된 공간에 배치되어 수직운동에 의해 상기 다수개의 제1 자성체의 극성 변화를 유도하는 것을 특징으로 한다.
전술한 모든 실시예에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자에 있어서, 상기 발전소자는 웨이퍼 기판 상에 형성되며, 상기 웨이퍼 기판은 KOH 용액에 의해 식각이 가능한 결정방향을 갖는 실리콘 웨이퍼일 수 있다.
또한, 상기 코일부의 미세선폭은 1 내지 10㎛인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 제조방법은,
웨이퍼 기판 위에 패턴이 형성된 제1 도선을 형성하는 단계; 상기 제1 도선 위에 제1 절연막을 형성하는 단계; 상기 제1 절연막의 일부를 에칭하여 제1 절연막 패턴을 형성하는 단계; 상기 제1 절연막 패턴 위에 자성체층을 형성하는 단계; 상기 자성체층 위에 제2 절연막 패턴을 형성하는 단계; 상기 제2 절연막 패턴이 형성된 웨이퍼 상에 제1 포토레지스트를 도포하는 단계; 상기 제1 포토레지스트를 에칭하여 비아홀을 형성하는 단계; 상기 형성된 비아홀 내부에 전해도금을 이용하여 측면 도선을 형성하는 단계; 및, 상기 측면 도선이 형성된 웨이퍼 위에 제2 포토레지스트를 도포한 후, 선택적으로 제2 포토레지스트를 제거한 다음, 제2 도선을 형성하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 제2 도선을 증착한 후 상기 제2 도선 위에 제3 절연막을 형성하는 단계를 더 포함하되, 상기 제3 절연막 위에 상기 제1 도선을 형성하는 단계부터 상기 제2 도선을 형성하는 단계를 반복하여 2층 이상으로 발전소자를 적층하여 제조할 수 있다.
또한, 상기 제1 절연막 패턴 위에 자성체층을 형성하는 단계는, 상기 제1 절연막 패턴 위에 씨드 메탈을 증착시킨 후, 상기 씨드 메탈 위에 자성체 물질을 전해도금하여 자성체층을 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 제조방법의 다른 실시예에 따르면,
웨이퍼 기판 위에 패턴이 형성된 제1 도선을 형성하는 단계; 상기 제1 도선 위에 제1 절연막을 형성하는 단계; 상기 제1 절연막의 일부를 에칭하여 제1 절연막 패턴을 형성하는 단계; 상기 제1 절연막 패턴 위에 자성체층을 형성하는 단계; 상 기 자성체층 위에 제2 절연막 패턴을 형성하는 단계; 상기 제2 절연막 패턴이 형성된 웨이퍼 상에 제1 포토레지스트를 도포하는 단계; 상기 제1 포토레지스트를 에칭하여 비아홀을 형성하는 단계; 상기 형성된 비아홀 내부에 전해도금을 이용하여 측면 도선을 형성하는 단계; 및, 상기 측면 도선이 형성된 2장의 웨이퍼를 웨이퍼 본딩하여 각각의 웨이퍼 위에 형성된 측면 도선을 연결하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 웨이퍼 기판은 KOH 용액에 의해 식각이 가능한 결정방향을 갖는 실리콘 웨이퍼이며, 상기 웨이퍼 기판의 뒷면에 전극 형성을 위한 홈이 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 제조방법의 또 다른 실시예에 따르면,
2장의 웨이퍼 기판을 에칭하여 상기 웨이퍼 기판에 경사면을 갖는 홈을 형성하는 단계; 상기 각각의 웨이퍼 기판 전면에 전도성 물질을 증착하여 상기 경사면을 갖는 홈과 기판 위에 제1 도선을 형성하는 단계; 상기 제1 도선 위에 제1 절연막을 형성하는 단계; 상기 제1 절연막 위에 씨드 메탈을 증착시키는 단계; 상기 씨드 메탈 위에 자성체 물질을 전해도금하여 자성체층을 형성하는 단계; 상기 자성체층이 형성된 2장의 웨이퍼를 웨이퍼 본딩하여 연결하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 웨이퍼 기판은 KOH 용액에 의해 식각이 가능한 결정방향을 갖는 실리콘 웨이퍼이며, 상기 웨이퍼 기판의 뒷면에 전극 형성을 위한 홈이 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 도선 위에 제1 절연막을 형성하는 단계 후에, 상기 제1 절연막 위에 도선 및 절연막을 형성하는 단계를 반복하여 다층의 도선과 절연막을 교대로 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
전술한 바와 같은 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자 및 그 제조방법에 의하면,
특정 주파수에 관계없이 전류가 발생할 수 있으며, 소자의 크기(부피)가 작으면서도 에너지 변환효율이 크다는 장점이 있다. 따라서, 만보기, 휴대폰, 엠피쓰리, 헬스 케어 시스템, 노트북, 디지털 카메라 등의 전자 장비와 사람 혹은 자동차 등의 운동에너지를 이용할 수 있는 지하철 환승역이나, 공원, 지하주차장이나 아파트 단지 내외에 설치될 수 있는 요철과 자동차 회전축 등에 응용될 수 있으며, 특히 컴퓨터 자판 혹은 전화기 버튼 등 눌림에 의한 운동에너지가 발생할 수 있는 모든 장치에 다양하고도 쉽게 응용될 수 있는 장점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 우선, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.
도 6은 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 제1 실시예를 도시한 도, 도 7a는 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 제2 실시예를 도시한 평면도, 도 7b는 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 제2 실시예를 도시한 측면도, 도 8은 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 제3 실시예를 도시한 평면도, 도 9는 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 제4 실시예를 도시한 도로써, 상단은 셀 모듈부의 확대도, 좌하단의 도는 측단면도, 우하단의 도는 위에서 바라본 투영단면도이다. 도 10은 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자 제조방법의 제1 실시예를 도시한 공정도, 도 11은 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자 제조방법의 제2 실시예를 도시한 공정도, 도 12a 및 도 12b는 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자 제조방법의 제3 실시예를 도시한 공정도, 도 13a 및 도 13b는 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자 제조방법의 제4 실시예를 도시한 공정도, 도 14는 KOH 용액으로 에칭하여 홈이 형성된 웨이퍼 기판을 제조하는 방법을 도시한 공정도, 도 15는 도 14의 웨이퍼 기판 제조 방법으로 제조된 웨이퍼 기판의 일 예를 도시한 도, 도 16은 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 응용예를 도시한 도, 도 17은 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 또 다른 응용예를 도시한 도이다.
도 6은 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 제1 실시예를 도시한 도로써, 본 발명의 발전소자의 가장 기본적인 형태를 개념적으로 도시한 것이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자는, 제1 자성체(10)와, 상기 제1 자성체의 외부를 둘러싸며 1회 이상 감긴 미세선폭을 갖는 코일부(20)와, 상기 제1 자성체와 상기 코일부 사이의 절연을 위해 그 사이에 마련되는 절연부(미도시)와 상기 코일부의 외부에 마련되어 상기 제1 자성체의 극성 변화를 유도하는 제2 자성체(30)를 포함한다.
상기 제1 자성체(10)는 상기 제2 자성체(30)의 운동에 의해 유도되는 자속의 통로 역할을 수행하며, 이에 따라 코일 내부의 자속은 변화하게 되어 유도 전류 및 유도 기전력이 발생하게 되므로, 에너지를 발생시키는 발전소자로 이용될 수 있다. 이 때, 상기 제1 및 제2 자성체는 코발트, 철, 니켈 등 모든 자성을 띤 금속 자성 재료나 산화물 자성 재료로 이루어질 수 있다.
상기 코일부(20)의 일측에 상기 제2 자성체(30)가 이동 가능하도록 형성된 튜브를 더 포함하는 것이 바람직하며, 자속의 강도를 최대화하기 위해 상기 튜브(40)는 상기 제1 자성체(10)의 길이방향과 수직으로 형성되는 것이 바람직하다. 본 발명의 발전소자는 웨이퍼 기판, 글래스, 글래스 웨이퍼, 또는 절연 필름 위에 형성되는 것이 바람직하다.
도 7a는 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 제2 실시 예를 도시한 평면도이고, 도 7b는 그 측면도이다.
도 7a를 참조하면, 상기 제1 자성체(10)를 그 내부에 포함하는 다수개의 상기 코일부(20)가 마련되고, 나란히 병렬로 배치되며, 어느 하나의 코일부의 끝단이 인접하는 코일부의 끝단과 직렬로 연결된다. 그리고, 상기 튜브(40)는 상기 병렬로 배치된 코일부(20)의 일측에 마련되고, 상기 제2 자성체(30)는 상기 튜브 안에서 왕복운동하도록 형성된다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 발전소자는 직렬로 연결된 코일부의 수가 증가함에 따라 그 크기가 커지는 단점은 있으나, 자속 변화량이 증가하고, 코일에 흐르는 유도 전류 및 이에 의해 발생되는 유도 기전력이 증가하게 되어 더 큰 에너지를 발생시킬 수 있다는 장점이 있다. 따라서, 상기 제2 실시예의 발전소자는 작은 크기를 필요로 하지 않으며, 상대적으로 많은 양의 발전을 필요로 하는 만보기, 휴대폰, 엠피쓰리, 헬스 케어 시스템, 노트북 등의 휴대용 전자 장비에 응용될 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 제3 실시예를 도시한 평면도이다.
도 8을 참조하면, 상기 제1 자성체(10)를 그 내부에 포함하는 다수개의 코일부(20)가 방사형으로 배치되고, 상기 방사형으로 배치된 코일부의 중앙에 형성되는 공간에 N극과 S극이 교대로 형성된 원형의 제2 자성체(31)가 회전 가능하도록 형성된다. 이때, 상기 제2 자성체(31)는 영구자석인 것이 바람직하다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 발전소자는 코일부의 수가 많아서 크기가 커지는 단점과, 상기 원형의 제2 자성체(31)를 회전시키기 위한 별도의 동력원이 필요하다는 단점은 있으나, 자속 변화량이 증가하고, 코일에 흐르는 유도 전류 및 이에 의해 발생되는 유도 기전력이 증가하게 되어 더 큰 에너지를 발생시킬 수 있다는 장점이 있다. 또한, 상기 원형의 제2 자성체의 회전속도를 조절하면, 발생되는 에너지량을 조절할 수 있다는 장점이 있다.
도 9는 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 제4 실시예를 도시한 도로써, 상단은 셀 모듈부의 확대도, 좌하단의 도는 측단면도, 우하단의 도는 위에서 바라본 투영단면도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 발전소자는, 크게 하우징과, 셀 모듈부, 그리고 자속유도 모듈부로 구성된다.
상기 셀 모듈부는 자속의 통로가 되는 다수개의 제1 자성체(10)와, 상기 다수개의 제1 자성체(10) 각각의 외부를 둘러싸며 1회 이상 감긴 미세선폭을 갖는 다수개의 코일부(20)가 상기 하우징(50) 내에 다각기둥 형태로 배열되어 구성되며,
상기 자속유도 모듈부는 상기 하우징(50)의 저면에 고정되는 탄성체(60)와, 상기 탄성체 위에 마련되는 제2 자성체(32)와, 상기 제2 자성체의 상부에 마련되어 상기 하우징의 외부로 돌출 형성되는 가압부(70)를 포함하여 구성된다. 이 때, 상기 자속유도 모듈부는 상기 셀 모듈부에 의해 형성된 공간 안에 배치되어 수직운동에 의해 상기 다수개의 제1 자성체의 극성 변화를 유도한다.
상기 하우징 내에 다각기둥 형태로 배열되는 다수개의 코일부(20)는 제1 자성체(10)를 그 내부에 포함하고, 나란히 병렬로 배치되며, 어느 하나의 코일부의 끝단이 인접하는 코일부의 끝단과 직렬로 연결된 원형에 가까운 다각기둥 형태이다.
상기 하우징(50)의 외부로 돌출되어 형성되는 가압부(70)를 통해 사람 또는 자동차 등에 의해 발생된 운동에너지가 상기 제2 자성체(32)에 전달되고, 상기 제2 자성체 아래에 마련된 용수철 또는 고무와 같은 탄성체(60)에 의해 제2 자성체가 상하로 움직이는 수직 운동을 하게 되므로써, 상기 제1 자성체(10)의 극성 변화를 유도하게 된다.
따라서, 본 발명의 제4 실시예에 따른 발전소자는 사람 혹은 자동차 등의 운동에너지를 이용할 수 있는 지하철 환승역이나, 공원, 지하주차장이나 아파트 단지 내외에 설치될 수 있는 요철과 자동차 회전축 등에 응용될 수 있으며, 특히 컴퓨터 자판 혹은 전화기 버튼 등 눌림에 의한 운동에너지가 발생할 수 있는 모든 장치에 적용될 수 있다. 이와 같은 응용예가 도 16 및 도 17에 도시되어 있다. 물론, 이러한 응용예는 전술한 부분에 한정되지 않으며, 수직운동이 발생할 수 있는 모든 영역에 적용될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련된 자라면 자명하게 알 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 제조방법을 설명한다.
도 10은 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자 제조방법의 제1 실시예를 도시한 공정도이다.
먼저, 도 10의 (a)에 도시된 바와 같이, 웨이퍼 기판(100) 위에 패턴이 형성된 제1 도선(200)을 형성한다. 상기 웨이퍼 기판은 쿼츠(quartz)나 글래스(glass), 필름(film) 또는 기타 절연체가 피막된 웨이퍼인 것이 바람직하다. 상기 제1 도선은 후술하는 자성체층의 하부에 놓이는 코일에 해당하는 것이며, 금, 은, 구리, 알루미늄 등 전도성이 있는 모든 금속이 사용될 수 있다. 상기 패턴은 이 후에 형성되는 자성체층의 길이방향과 공간상으로 직교하는 다수개의 평행한 직선인 것이 바람직하다. 또한, 이때 코일에 도선이 감은 수를 증가시키기 위해 상기 제1 도선의 층수를 1회 이상 할 수도 있다.
그 다음, 도 10의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 제1 도선(200) 위에 제1 절연막(300)을 형성한다. 상기 제1 절연막은 상기 제1 도선(200)과 자성체층 사이의 전기적 절연을 위한 것으로, 예를 들면, Si2Ni4 또는 SiO2 등과 같은 물질이 사용될 수 있다. 이때, 상기 제1 도선의 층수를 1회 이상하는 경우, 상기 제1 절연막의 수도 그에 상응하도록 형성한다.
그 다음, 도 10의 (c)에 도시된 바와 같이, 상기 제1 절연막의 일부(①로 표시되어 있음)를 에칭하여 제1 절연막 패턴(310)을 형성한다. 이 때, 에칭으로 제거되는 부분은 이후의 공정에서 비아홀이 형성될 부분이다.
그 다음, 상기 제1 절연막 패턴(310) 위에 자성체층을 형성한다. 이 때, 상기 자성체층은, 도 10의 (d) 및 (e)에 도시된 바와 같이, 상기 제1 절연막 패턴(310) 위에 씨드 메탈(320)을 증착시킨 후, 상기 씨드 메탈 위에 니켈과 같은 자성체 물질을 전해도금하여 자성체층(400)을 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 전해도금의 두께는 약 300 ~ 400 ㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하다.
그 다음, 도 10의 (f)에 도시된 바와 같이, 상기 자성체층(400) 위에 제2 절연막 패턴(330)을 형성한다. 상기 제2 절연막 패턴은 이후에 형성되는 제2 도선과 자성체층(400) 사이의 전기적 절연을 위한 것으로, 예를 들면, Si2Ni4 또는 SiO2 등과 같은 물질이 사용될 수 있다.
그 다음, 도 10의 (g)에 도시된 바와 같이, 상기 제2 절연막 패턴이 형성된 웨이퍼 상에 제1 포토레지스트(500)를 도포한다. 이때 상기 제1 포토레지스트는 비아홀을 형성하기 위한 것으로 점도가 높은 감광제인 것이 바람직하다.
그 다음, 도 10의 (h)에 도시된 바와 같이, 상기 제1 포토레지스트(500)를 에칭하여 비아홀(600)을 형성한다. 이 때, 상기 비아홀(600)은 상기 제1 도선(200)이 노출되도록 형성한다.
그 다음, 도 10의 (i)에 도시된 바와 같이, 상기 비아홀 내부를 전해도금을 이용하여 채워서 비아를 형성시킨다. 상기 비아는 상기 자성체층의 위아래에 형성되는 제1 도선 및 제2 도선과 연결하는 측면 도선(610)이 된다.
그 다음, 도 10의 (j) (k) (l)에 도시된 바와 같이, 상기 측면 도선(610)이 형성된 웨이퍼 위에 제2 포토레지스트(510)를 도포한 후(j), 선택적으로 제2 포토레지스트를 제거하고, 스퍼터(sputter) 장비를 이용하여 도선을 증착시켜서 제2 도선(210)을 형성(k)한 다음, 최종적으로 상기 제2 포토레지스트를 제거한다.
그리고, 상기 제1 도선(200)과 제2 도선(210)은 1 내지 10㎛의 크기로 형성하는 것이 바람직하다.
상기와 같은, 공정 단계를 거침으로써, 자성체의 외부를 둘러싸며 1회 이상 감긴 미세선폭을 갖는 코일부를 제조할 수 있게 되며, 상기 코일부의 외부에 상기 자성체의 극성 변화를 유도하는 또 다른 자성체를 배치함으로써, 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자를 제조할 수 있게 된다.
도 11은 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자 제조방법의 제2 실시예를 도시한 공정도이다.
제조방법의 제2 실시예는 상기 제조방법의 제1 실시예와 유사하나, 제1 실시예에서의 제1 전극(200), 제2 전극(210), 그리고 측면 전극(610)이 각각 2겹의 제1 전극들(201, 202), 제2 전극들(211, 212), 측면 전극들(611, 612)로 형성되어 자성체층(400)을 2중으로 감으며, 또한, 코일부가 2개의 층으로 형성된 것을 도시하고 있다.
즉, 상기 제조방법의 제1 실시예에서 상기 제2 도선(211)을 증착한 후 상기 제2 도선 위에 제3 절연막(303)을 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 제3 절연막 위에 상기 제1 도선(201)을 형성하는 단계부터 상기 제2 도선(211)을 형성하는 단 계를 반복하여 2층 이상으로 발전소자를 적층하여 제조함으로써, 제2 실시예에 의한 제조방법을 수행할 수 있다. 그리하여, 더 큰 전력을 만들고 공간상의 이점을 활용할 수 있는 발전소자를 제조할 수 있게 된다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자 제조방법의 제3 실시예를 도시한 공정도이다.
제조방법의 제3 실시예는, 상기 제조방법의 제1 실시예에서 비아홀 내부에 전해도금을 이용하여 측면 도선을 형성하는 단계까지는 동일하다. 그러나, 측면 도선 형성 후에 제2 도선을 형성하는 제1 실시예와는 달리, 상기 측면 도선이 형성된 2장의 웨이퍼(101)를 웨이퍼 본딩하여 각각의 웨이퍼(101) 위에 형성된 측면 도선(611, 612)을 연결하는 단계를 포함하여 이루어진다(도 12a 참조). 보다 구체적으로는 상기 웨이퍼는 300 ㎛ 이하 두께의 2장의 웨이퍼를 사용하는 것이 바람직하다. 도 12b에 제3 실시예에 의해 제조된 발전소자가 도시되어 있다. 제3 실시예에 의해 제조된 발전소자는 자성체의 크기가 커진 장점이 있다.
이 때, 상기 웨이퍼의 뒷면은 KOH 용액으로 에칭하여 웨이퍼 본딩시에 형성될 수 없는 전극을 뒷면으로 빼줄 수 있도록 전극(700)을 형성시킨다. 웨이퍼 뒷면에 전극을 형성시킬 수 있는 홈을 제조하는 방법은 아래에서 설명한다.
도 14는 KOH 용액으로 에칭하여 홈이 형성된 웨이퍼 기판을 제조하는 방법을 도시한 공정도이다.
도 14의 a)에 도시된 바와 같이, 결정(1,0,0)인 P타입 실리콘 웨이퍼를 CVD(Chemical Vapor Deposition)장비를 이용하여 두께 5000 Å 저압(low-stress) Si2Ni4을 증착한다.
그 다음, 도 14의 b) 및 c)에 도시된 바와 같이, 상기 증착된 Si2Ni4 위에 포토레지스트를 도포하고 노광 현상을 통해 식각 마스크(KOH window)를 형성하고, Si2Ni4를 건식식각시켜 부분적으로 제거한다.
그 다음, 도 14의 d)에 도시된 바와 같이, 상기 포토레지스트을 제거하고 KOH 용액에 상기 웨이퍼 기판을 습식식각하면 Si2Ni4가 제거된 부분으로 실리콘 웨이퍼가 습식식각이 되며 54.74˚의 경사면을 갖는 창이 형성된다.
그 다음, 도 14의 e) ~ h)에 도시된 바와 같이, 패턴 형성을 위해 KOH 습식 식각된 웨이퍼 기판에 포토레지스트를 도포한 후, 스퍼터(sputter)장비를 이용하여 Au 패턴을 증착한 다음, 잔류하는 포토레지스트를 제거하면 홈이 형성된 웨이퍼 기판이 제조된다. 도 15는 상기의 과정을 통해 제조된 완성된 웨이퍼 기판의 일예를 도시한 도면이다.
도 13a 및 도 13b는 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자 제조방법의 제4 실시예를 도시한 공정도이다.
도 13a 및 도 13b에 도시된 바와 같이, 제4 실시예에 따른 제조방법은 상기 제1 실시예 또는 상기 제3 실시예와는 달리, 웨이퍼 기판 위에 제1 도선을 형성하기 전에, 2장의 웨이퍼 기판을 에칭하여 상기 웨이퍼 기판에 제1 도선, 절연막, 그리고 자성체층이 매립될 수 있는 경사면을 갖는 홈을 형성한다.
그 다음, 상기 각각의 웨이퍼 기판 전면에 전도성 물질을 증착하여 상기 경사면을 갖는 홈과 기판 위에 제1 도선을 형성한 후, 상기 제1 도선 위에 제1 절연막을 형성하고, 상기 제1 절연막 위에 씨드 메탈을 증착시킨다.
그 다음, 상기 씨드 메탈 위에 자성체 물질을 전해도금하여 자성체층을 형성한 후, 상기 자성체층이 형성된 2장의 웨이퍼를 웨이퍼 본딩하여 연결하는 단계를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 제1 도선 위에 제1 절연막을 형성한 후에, 상기 제1 절연막 위에 도선 및 절연막을 형성하는 단계를 반복하여 다층의 도선과 절연막을 교대로 형성하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 도 13a는 도선(201, 202, 203)과 절연막(301, 302, 303)이 각각 3개층으로 형성된 것이다.
또한, 여기서 상기 웨이퍼(102)는 300 ㎛ 이상 두께의 2장의 웨이퍼를 사용하는 것이 바람직하다. 도 13b에 제4 실시예에 의해 제조된 발전소자가 도시되어 있다. 제4 실시예에 의해 제조된 발전소자는 자성체의 크기가 커진 장점이 있다.
이 때, 상기 웨이퍼의 뒷면은 상기 제3 실시예와 마찬가지로 KOH 용액으로 에칭하여 웨이퍼 본딩시에 형성될 수 없는 전극을 뒷면으로 빼줄 수 있도록 전극(700)을 형성시킨다.
이상과 같이 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자 및 그 제조방법을 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상 범위내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
도 1은 에너지원에 따른 에너지 하베스터의 예를 도시한 도,
도 2는 종래 기술에 따른 2개층의 압전체를 갖는 바이몰프 압전 발전기를 도시한 도,
도 3은 종래 기술에 따른 전자기 방식의 발전기를 도시한 도,
도 4는 종래 기술에 따른 회전자 발전기의 원리를 도시한 도,
도 5는 종래 기술에 따른 발전기를 도시한 도,
도 6은 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 제1 실시예를 도시한 도,
도 7a는 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 제2 실시예를 도시한 평면도,
도 7b는 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 제2 실시예를 도시한 측면도,
도 8은 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 제3 실시예를 도시한 평면도,
도 9는 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 제4 실시예를 도시한 도로써, 상단은 셀 모듈부의 확대도, 좌하단의 도는 측단면도, 우하단의 도는 위에서 바라본 투영단면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자 제조방법의 제1 실시예를 도시한 공정도,
도 11은 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자 제조방법의 제2 실시예를 도시한 공정도,
도 12a 및 도 12b는 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자 제조방법의 제3 실시예를 도시한 공정도,
도 13a 및 도 13b는 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자 제조방법의 제4 실시예를 도시한 공정도,
도 14는 KOH 용액으로 에칭하여 홈이 형성된 웨이퍼 기판을 제조하는 방법을 도시한 공정도,
도 15는 도 14의 웨이퍼 기판 제조 방법으로 제조된 웨이퍼 기판의 일 예를 도시한 도,
도 16은 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 응용예를 도시한 도,
도 17은 본 발명에 따른 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 또 다른 응용예를 도시한 도이다.
Claims (17)
- MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자에 있어서,자속의 통로가 되는 제1 자성체;상기 제1 자성체의 외부를 둘러싸며 1회 이상 감긴 미세선폭을 갖는 코일부;상기 제1 자성체와 상기 코일부 사이의 절연을 위해 그 사이에 마련되는 절연부;상기 코일부의 외부에 마련되어 상기 제1 자성체의 극성 변화를 유도하는 제2 자성체를 포함하는 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자.
- 청구항 1에 있어서,상기 코일부의 일측에 상기 제2 자성체가 이동 가능하도록 형성된 튜브를 더 포함하고,상기 튜브는 상기 제1 자성체의 길이방향과 수직으로 형성되는 것을 특징으로 하는 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자.
- 청구항 2에 있어서,상기 제1 자성체를 그 내부에 포함하는 상기 코일부가 다수개 마련되어 병렬 로 배치되어 직렬 연결되고,상기 튜브는 상기 병렬로 배치된 코일부의 일측에 마련되어 상기 제2 자성체가 왕복운동 하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자.
- 청구항 1에 있어서,상기 제1 자성체를 그 내부에 포함하는 상기 코일부가 다수개 마련되어 방사형으로 배치되고,상기 방사형으로 배치된 코일부의 중앙에 형성되는 공간에 N극과 S극이 교번 형성된 원형의 상기 제2자성체가 회전 가능하도록 형성된 것을 특징으로 하는 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자.
- 하우징;자속의 통로가 되는 다수개의 제1 자성체와, 상기 다수개의 제1 자성체 각각의 외부를 둘러싸며 1회 이상 감긴 미세선폭을 갖는 다수개의 코일부가 상기 하우징 내에 다각기둥 형태로 배열된 셀 모듈부;상기 하우징의 저면에 고정되는 탄성체와, 상기 탄성체 위에 마련되는 제2 자성체와, 상기 제2 자성체의 상부에 마련되어 상기 하우징의 외부로 돌출 형성되 는 가압부를 포함하는 자속유도 모듈부;를 포함하며, 상기 자속유도 모듈부는 상기 셀 모듈부에 의해 형성된 공간에 배치되어 수직운동에 의해 상기 다수개의 제1 자성체의 극성 변화를 유도하는 것을 특징으로 하는 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자.
- 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,상기 발전소자는 웨이퍼 기판 상에 형성되며, 상기 웨이퍼 기판은 KOH 용액에 의해 식각이 가능한 결정방향을 갖는 실리콘 웨이퍼인 것을 특징으로 하는 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자.
- 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,상기 발전소자는 웨이퍼 기판, 글래스, 글래스 웨이퍼, 또는 절연 필름 위에 형성되는 것을 특징으로 하는 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자.
- 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,상기 코일부의 미세선폭은 1 내지 10㎛인 것을 특징으로 하는 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자.
- 웨이퍼 기판 위에 패턴이 형성된 제1 도선을 형성하는 단계;상기 제1 도선 위에 제1 절연막을 형성하는 단계;상기 제1 절연막의 일부를 에칭하여 제1 절연막 패턴을 형성하는 단계;상기 제1 절연막 패턴 위에 자성체층을 형성하는 단계;상기 자성체층 위에 제2 절연막 패턴을 형성하는 단계;상기 제2 절연막 패턴이 형성된 웨이퍼 상에 제1 포토레지스트를 도포하는 단계;상기 제1 포토레지스트를 에칭하여 비아홀을 형성하는 단계;상기 형성된 비아홀 내부에 전해도금을 이용하여 측면 도선을 형성하는 단계; 및,상기 측면 도선이 형성된 웨이퍼 위에 제2 포토레지스트를 도포한 후, 선택적으로 제2 포토레지스트를 제거한 다음, 제2 도선을 형성하는 단계를 포함하는 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 제조방법.
- 청구항 9에 있어서,상기 제2 도선을 증착한 후 상기 제2 도선 위에 제3 절연막을 형성하는 단계를 더 포함하되,상기 제3 절연막 위에 상기 제1 도선을 형성하는 단계부터 상기 제2 도선을 형성하는 단계를 반복하여 2층 이상으로 발전소자를 적층하여 제조하는 것을 특징으로 하는 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 제조방법.
- 청구항 9 또는 청구항 10에 있어서,상기 제1 절연막 패턴 위에 자성체층을 형성하는 단계는,상기 제1 절연막 패턴 위에 씨드 메탈을 증착시킨 후, 상기 씨드 메탈 위에 자성체 물질을 전해도금하여 자성체층을 형성하는 것을 특징으로 하는 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 제조방법.
- 웨이퍼 기판 위에 패턴이 형성된 제1 도선을 형성하는 단계;상기 제1 도선 위에 제1 절연막을 형성하는 단계;상기 제1 절연막의 일부를 에칭하여 제1 절연막 패턴을 형성하는 단계;상기 제1 절연막 패턴 위에 자성체층을 형성하는 단계;상기 자성체층 위에 제2 절연막 패턴을 형성하는 단계;상기 제2 절연막 패턴이 형성된 웨이퍼 상에 제1 포토레지스트를 도포하는 단계;상기 제1 포토레지스트를 에칭하여 비아홀을 형성하는 단계;상기 형성된 비아홀 내부에 전해도금을 이용하여 측면 도선을 형성하는 단계; 및,상기 측면 도선이 형성된 2장의 웨이퍼를 웨이퍼 본딩하여 각각의 웨이퍼 위에 형성된 측면 도선을 연결하는 단계를 포함하는 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 제조방법.
- 청구항 12에 있어서,상기 웨이퍼 기판은 KOH 용액에 의해 식각이 가능한 결정방향을 갖는 실리콘 웨이퍼이며, 상기 웨이퍼 기판의 뒷면에 전극 형성을 위한 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자 제조방법.
- 2장의 웨이퍼 기판을 에칭하여 상기 웨이퍼 기판에 경사면을 갖는 홈을 형성하는 단계;상기 각각의 웨이퍼 기판 전면에 전도성 물질을 증착하여 상기 경사면을 갖는 홈과 기판 위에 제1 도선을 형성하는 단계;상기 제1 도선 위에 제1 절연막을 형성하는 단계;상기 제1 절연막 위에 씨드 메탈을 증착시키는 단계;상기 씨드 메탈 위에 자성체 물질을 전해도금하여 자성체층을 형성하는 단 계;상기 자성체층이 형성된 2장의 웨이퍼를 웨이퍼 본딩하여 연결하는 단계를 포함하는 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자의 제조방법.
- 청구항 14에 있어서,상기 웨이퍼 기판은 KOH 용액에 의해 식각이 가능한 결정방향을 갖는 실리콘 웨이퍼이며, 상기 웨이퍼 기판의 뒷면에 전극 형성을 위한 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자 제조방법.
- 청구항 14에 있어서,상기 제1 도선 위에 제1 절연막을 형성하는 단계 후에, 상기 제1 절연막 위에 도선 및 절연막을 형성하는 단계를 반복하여 다층의 도선과 절연막을 교대로 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자 제조방법.
- 청구항 1 내지 청구항 5의 MEMS 기반의 전자기 유도방식 발전소자를 내장한 전자장비.
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Cited By (3)
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| KR20150030463A (ko) * | 2013-09-12 | 2015-03-20 | 엘지이노텍 주식회사 | 멤스 전류 센서 |
| WO2016052887A1 (ko) * | 2014-09-29 | 2016-04-07 | 엘지이노텍 주식회사 | 수신 안테나 및 이를 포함하는 무선 전력 수신 장치 |
| WO2018199612A1 (ko) * | 2017-04-28 | 2018-11-01 | 박선미 | 발전코일의 유도전자기력을 이용하여 전기를 생산하는 방법 |
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Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20150030463A (ko) * | 2013-09-12 | 2015-03-20 | 엘지이노텍 주식회사 | 멤스 전류 센서 |
| WO2016052887A1 (ko) * | 2014-09-29 | 2016-04-07 | 엘지이노텍 주식회사 | 수신 안테나 및 이를 포함하는 무선 전력 수신 장치 |
| CN107078551A (zh) * | 2014-09-29 | 2017-08-18 | Lg伊诺特有限公司 | 接收天线和包括该接收天线的无线电力接收装置 |
| US10636564B2 (en) | 2014-09-29 | 2020-04-28 | Lg Innotek Co., Ltd. | Receiving antenna and wireless power receiving apparatus comprising same |
| WO2018199612A1 (ko) * | 2017-04-28 | 2018-11-01 | 박선미 | 발전코일의 유도전자기력을 이용하여 전기를 생산하는 방법 |
| US11515082B2 (en) | 2017-04-28 | 2022-11-29 | Sun Mi Park | Method for producing electricity using inductive electromagnetic force of power generation coil |
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